СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ МАТРИЦЫ
Светочувствительные матрицы
Качественный уровень современного цифрового фотоаппарата определяется, прежде всего, техническим совершенством установленного в нем сенсора — матрицы светочувствительных элементов. Выбирая цифровой фотоаппарат, мы наверняка столкнемся со случаями применения в относительно дорогих камерах сенсоров с невысокими характеристиками. Но обратная ситуация, когда в простой любительский фотоаппарат устанавливается высококачественная светочувствительная матрица, невозможна. Светочувствительный сенсор самая дорогая и наиболее значимая деталь цифровой камеры.
На сегодняшний день в производстве светочувствительных сенсоров применяются
две конкурирующие технологии. Первая, более простая по ряду признаков более
перспективная, технология CMOS (Complementary
Metal-Oxide-Semiconductor). В переводе эта технология называется КМОП —
комплементарный металл-окисел-полупроводник.
В упрощенном виде принцип действия матрицы светочувствительных элементов
цифрового фотоаппарата выглядит следующим образом. Сенсор CCD состоит
из подложки, изготовленной из монокристаллического полупроводникового
материала, изолирующего слоя окисла, покрывающего подложку, набора
микроскопических (микронных размеров) металлических проводников-электродов.
К электродам матрицы подводится электрический ток. Засветка поверхности
матрицы приводит к тому, что сила тока (заряд) на выводах электродов
изменяется то есть каждая ячейка светочувствительной матрицы реагирует на
интенсивность засветки.
Эти изменения считываются электронной схемой фотоаппарата, и на их основе строится картинка, соответствующая сфокусированному на поверхности сенсора изображению. Ячейки матрицы, построенной по технологии CMOS, это полевые транзисторы, которые при засветке изменяют свое состояние, препятствуя прохождению электрического тока через выводы ячейки или, наоборот, усиливая сигнал. Электронная схема фотоаппарата считывает изменения состояния ячеек матрицы и на их основе строит картинку.
Матрицы CMOS по сравнению с матрицами CCD отличаются пониженным
энергопотреблением и высокой технологичностью. С другой стороны, разрешение
матриц CMOS, их светочувствительность, динамический диапазон и устойчивость
к шумам ниже, чем у матриц CCD. Это объясняется сложностью устройства, также
пониженной светочувствительностью полевых транзисторов по сравнению с
ячейками с зарядовой связью. Устанавливаемые недорогие камеры начального
уровня сенсоры CMOS выполнены в виде большой гибридной микросхемы, на
кристалле которой смонтированы многие сервисные схемы фотоаппарата.
По сути дешевая Web-камера с функцией автономной работы в качестве цифрового фотоаппарата состоит из корпуса, батарейного блока питания, простого объектива, небольшого набора пассивных элементов (согласующих резисторов, порта USВ, пары кнопок), монохромного символьного дисплея и одной микросхемы, на которую возложена вся работа по оцифровке и обработке изображений. Отсюда и чрезвычайно низкая цена подобных фотокамер.
Еще одна
положительная сторона матриц CMOS — их стабильность и долговечность.
Причина, опять же, в применении в качестве светочувствительных элементов
полевых транзисторов, в более крупных размерах каждого элемента и в высокой
технологичности производства (требования к допускам при массовом
производстве сенсоров CMOS оказываются несколько ниже, чем при производстве
сенсоров CCD).
Микроскопические ячейки светочувствительной матрицы способны
отреагировать только на силу попадающего на них света. Для того чтобы
получить изображение, приближающееся по качеству к пленочному фотоснимку,
цифровой фотоаппарат должен распознавать еще и цветовые оттенки. Для
увеличения точности работы матрицы (улучшения соотношения сигнал/шум)
повышения светочувствительности, каждая ячейка снабжается собирающими
микролинзами, фокусирующими световой поток. Особенно это касается матриц CMOS, где без подобных линз необходимого качества изображения добиться
трудно.
ХИТЫ ПРОДАЖ | ПОЛЕЗНЫЕ СОВЕТЫ |
Комплект | Vertu
Ascent Ferrari | Узнайте секрет | Индивидуальная программа похудения |
НОУ ИНТУИТ | Лекция | Сенсоры цифровых фотоаппаратов
< Лекция 3 || Лекция 4: 123 || Лекция 5 >
Аннотация: Матрица светочувствительных элементов — основной узел цифрового фотоаппарата.
Понять принцип его работы — понять принцип самой цифровой фотографии. В этой маленькой по физическим размерам микросхеме средоточие современных высоких технологий.
Ключевые слова: CMOS, CCD, ПО, сенсор, ячейка, диапазон, устойчивость, Сенсоры CMOS, устанавливаемые в камерофоны (сотовые телефоны), механизмы, веб-камера, USB, альтернатива, выход, стабильность, цифровой фотоаппарат, поток, RGB, RED, Green, blue, алгоритм, АЦП, матрица, информация, значение, очередь, интерполяция, детализация, функция, лист, вывод, монитор, фотобумага, digital, APS, расстояние, шумы, место, компьютер, ISO, достоверность, разрядность, бит, множества, кадрирование
Цель лекции — рассказать об устройстве и принципе действия сенсоров CMOS и CCD. Здесь же подробно рассматриваются важнейшие характеристики светочувствительных сенсоров.
Качественный уровень современного цифрового фотоаппарата определяется, прежде всего, техническим совершенством установленного в нем сенсора — матрицы светочувствительных элементов.
Это самая дорогая и наиболее значимая деталь цифровой камеры.
На сегодняшний день в производстве светочувствительных сенсоров применяются две конкурирующие технологии. Первая, более простая в производстве и по ряду признаков более перспективная — технология CMOS ( Complementary Metal-Oxide-Semiconductor ). В переводе эта технология называется КМОП — комплементарный металл-оксид-полупроводник. В силу разных причин сенсоры, построенные по технологии CMOS, устанавливаются в фототелефоны и в зеркальные камеры Canon и Sony.
Лидирующей на рынке цифровой фототехники является технология CCD ( Charge-Coupled Device ). В русском переводе этот тип сенсоров называется ПЗС — прибор с зарядовой связью. Более трудоемкие в производстве, сенсоры CCD, тем не менее, установлены в подавляющем большинстве цифровых фотоаппаратов любительского и профессионального класса.
В упрощенном виде принцип действия матрицы светочувствительных элементов цифрового фотоаппарата выглядит следующим образом. Сенсор CCD состоит из подложки, изготовленной из монокристаллического полупроводникового материала, изолирующего слоя окисла, покрывающего подложку, и набора микроскопических (микронных размеров) металлических проводников -электродов. К электродам матрицы подводится электрический ток. Засветка поверхности матрицы приводит к тому, что сила тока (заряд) на выводах электродов изменяется, то есть каждая ячейка светочувствительной матрицы реагирует на интенсивность засветки. Эти изменения считываются электронной схемой фотоаппарата, и на их основе строится картинка, соответствующая сфокусированному на поверхности сенсора изображению.
Электронная схема фотоаппарата считывает изменения состояния ячеек матрицы и на их основе строит картинку.Матрицы CMOS по сравнению с матрицами CCD отличаются пониженным энергопотреблением и высокой технологичностью. С другой стороны, разрешение матриц CMOS, их светочувствительность, динамический диапазон и устойчивость к шумам ниже, чем у матриц CCD. Это объясняется сложностью устройства, а также пониженной светочувствительностью полевых транзисторов по сравнению с ячейками с зарядовой связью.
Устанавливаемые в сотовые камерофоны сенсоры CMOS выполнены в виде большой гибридной микросхемы, на кристалле которой смонтированы многие сервисные схемы встроенного в телефон фотоаппарата. Это и аналого-цифровой преобразователь ( АЦП ), и электронный затвор (схема мгновенного считывания состояния матрицы), схемы баланса белого и сжатия изображений. В массовом производстве CMOS-сенсоры оказываются дешевле, поскольку каждый элемент матрицы крупней, чем ячейка сенсора CCD.
А простейшим камерам на основе CMOS-сенсоров не нужны многие вспомогательные электронные механизмы. По сути недавно еще популярная, а сегодня сошедшая со сцены дешевая веб-камера с функцией автономной работы в качестве цифрового фотоаппарата состоит из корпуса, батарейного блока питания, простого объектива, небольшого набора пассивных элементов (согласующих резисторов, порта USB, пары кнопок), монохромного символьного дисплея и
одной микросхемы, на которую возложена вся работа по оцифровке и обработке изображений. Отсюда и чрезвычайно низкая цена подобных фотокамер.
Говоря о перспективах сенсоров CMOS, не стоит забывать, что это очень молодая технология. Она возникла, как альтернатива трудоемкой и малоэффективной технологии сенсоров CCD. Достаточно сказать, что выход годной продукции при массовом производстве матриц CCD еще шесть-семь лет назад находился на уровне двух процентов. Сказываются размеры элементов (порядка тысячных долей миллиметра) и очень высокие требования к технологическим допускам.
В то же время, конструкторы зеркальных цифровых фотоаппаратов Canon и просьюмерок Sony (пример — камера Sony DSC-R1) устанавливают в свои фотоаппараты именно сенсоры CMOS, дополняя их специальными схемами подавления шумов. Еще одна положительная сторона матриц CMOS — их стабильность и долговечность. Причина, опять же, в применении в качестве светочувствительных элементов полевых транзисторов, в более крупных размерах каждого элемента и в высокой технологичности массового производства…
Микроскопические ячейки светочувствительной матрицы способны отреагировать только на силу попадающего на них света (на интенсивность светового потока). Для того, чтобы получить изображение, приближающееся по качеству к пленочному фотоснимку, цифровой фотоаппарат должен распознавать еще и цветовые оттенки.
Но прежде чем говорить о технологии оцифровки цветного изображения, следует заметить, что для увеличения точности работы матрицы (улучшения соотношения сигнал/шум) и повышения светочувствительности, каждая ячейка снабжается собирающими микролинзами, фокусирующими световой поток.
Особенно это касается матриц CMOS, где без подобных линз необходимого качества изображения добиться трудно.
Получить цветное изображение, и мы об этом уже говорили, можно разными способами. В профессиональной съемочной аппаратуре применяется схема с тремя светочувствительными матрицами. Сфокусированное объективом изображение расщепляется специальной призмой на три идентичных световых потока, каждый из которых засвечивает свою матрицу через светофильтр одного из базовых цветов — красного, зеленого и голубого (RGB — Red, Green, Blue). Эта технология позволяет добиться высокого качества цветопередачи, но усложняет конструкцию камеры и отражается на ее стоимости. Чаще всего три матрицы устанавливаются в дорогих цифровых видеокамерах.
В фотоаппаратах же (кроме профессиональных камер специального назначения) используется другая технология — с одним сенсором. Над поверхностью сенсора установлен блок микроскопических светофильтров, расположенных в шахматном порядке в соответствии с цветовой моделью Байера.
Этот алгоритм построения цветного изображения подразумевает удвоенное количество зеленых фильтров по сравнению с красными и синими, поскольку человеческий глаз более чувствителен к зеленой части светового спектра. Цветное изображение строится электроникой камеры уже после преобразования аналогового электрического сигнала, снимаемого с ячеек сенсора камеры в цифровой код аналого-цифровым преобразователем АЦП (если говорить о сенсорах CCD, сенсоры CMOS сами могут обрабатывать цветовую составляющую сигнала, поскольку обычно это большие многофункциональные микросхемы).
Дальше >>
< Лекция 3 || Лекция 4: 123 || Лекция 5 >
Как устроена камера и какие бывают камеры
В этом уроке мы постараемся доступно объяснить, как устроена камера и какие типы камер существуют на сегодняшний день. Попробуем подойти к этому вопросу с практической точки зрения, объяснив простыми словами самые важные для фотографа вопросы. Эта статья поможет вам выбрать камеру под свои задачи, а в дальнейшем получать удовольствие от съемки.
Как работает камера? Все знают, для чего нужна камера. Но как это работает? Знание принципов работы камеры всегда поможет вам получить качественные снимки. Здесь то же самое, что и с автомобилем: чтобы хорошо водить машину, нужно хотя бы немного представлять, как она устроена. Простая схема поможет вам разобраться с процессом фотосъемки.
- Свет — самое главное в фотографии. Все начинается с него. Само слово «фотография» можно перевести как «рисунок светом», «светопись». Свет начинает свой путь от источника, например, от солнца.
- Свет падает на все окружающие нас предметы. Это очень важно помнить: камера снимает не сами объекты, а отраженный от них свет. Он легкий и умение с ним работать — залог хороших кадров.
- Свет, отраженный от объекта, проходит через объектив камеры.
- Проецируется на светочувствительный сенсор — матрицу. Раньше, когда не было цифровых фотоаппаратов, вместо матрицы использовалась пленка.
Матрица камеры
- Матрица состоит из миллионов светочувствительных элементов.
Они улавливают свет и передают информацию о нем уже в электронном виде на процессор камеры. Процессор обрабатывает полученные данные и сохраняет их в виде файла.
Они улавливают свет и передают информацию о нем уже в электронном виде на процессор камеры. Процессор обрабатывает полученные данные и сохраняет их в виде файла.Процессор Nikon Expeed 3
- Файл записывается на карту памяти.
Все современные цифровые фотоаппараты работают по этому принципу, отличаясь лишь некоторыми деталями.
Матрица камеры
Матрица – это сердце современной камеры. От его качества во многом будет зависеть качество фотографий. Матрица имеет две основные характеристики, информация о которых доступна потребителю: это разрешение и физический размер. Во-первых, давайте посмотрим на разрешение. Разрешение матрицы — это количество ее светочувствительных элементов, пикселей. Чем их больше, тем больше очков составит итоговое фото. Сегодня среднее разрешение матриц составляет от 16 до 36 миллионов пикселей. Однако может быть и так, что мегапикселей на матрице много, а качество изображения все равно низкое: оно не резкое, не контрастное, утопающее в цифровом шуме — помехах.
Качество изображения зависит не только от разрешения в мегапикселях, но и от физического размера самой матрицы.
Фрагмент снимка, сделанного на смартфон с камерой 8 мегапикселей
Фрагмент кадра с разрешением 8 Мп, сделанного на зеркальную камеру.
Оба снимка сделаны в одном разрешении. Как видите, кадр, снятый на мобильный телефон, сильно проигрывает в качестве: он не такой контрастный, на снимке не сохранились мелкие детали, например, прожилки на листе бумаги. Но именно за мелкие детали и должно отвечать высокое разрешение матрицы. Разные типы камер оснащены матрицами разного размера. Самая большая на этой схеме — полнокадровая матрица. Его размер соответствует кадру с привычной пленки формата «135» или просто «35 мм» — 36х24 мм. Матрицы такого размера могут давать очень качественные изображения. Но чем больше физический размер матрицы, тем она дороже. Поэтому большие матрицы встречаются только в достаточно дорогих устройствах.
Для любительских зеркалок характерен формат APS-C. Чем дешевле устройство, тем меньше в нем установлено матрицы. Большие матрицы дают выигрыш не только в детализации, но и в качестве изображения при съемке на высоких значениях чувствительности при слабом освещении. Дело в том, что на сенсоре большой площади можно реализовать больший размер самих светочувствительных элементов — пикселей. Для сравнения: один светочувствительный матричный элемент современного полнокадрового аппарата имеет средний размер 4,9-8,3 мкм. Размер одного пикселя компактной камеры или смартфона составляет примерно 1-3 микрона.
Характеристики больших и малых матриц
Преимущества больших матриц — полнокадровых и APS-C — очевидны: они дают наилучшее качество изображения. При этом работа с ними имеет несколько нюансов. Законы оптики таковы, что при работе с большой матрицей мы получаем малую глубину резкости на фото. С одной стороны, мы можем красиво размыть фон на наших снимках.
Но в то же время возникнут трудности, если мы захотим сделать на картинке резким все — и передний план, и задний. При съемке зеркалкой не всегда получается добиться большой глубины резкости. В то же время маленькие матрицы позволяют снимать с практически бесконечной глубиной резкости. Чем меньше матрица, тем проще получить кадр с большой глубиной резкости. Именно поэтому при съемке на смартфон или компактный аппарат сложно размыть фон на снимке: слишком велика глубина резкости, все на снимке становится четким. Сравните два кадра, снятых с одинаковыми параметрами съемки, но на камеры с матрицами разного размера.
Кадр сделан компактным аппаратом с маленькой 2/3″ матрицей. Почти все фигуры попали в ГРИП.
Кадр изображения зеркальной фотокамеры APS-C. Глубина резкости стала меньше. В него попала только передняя фигура.
Если вам нравится размытый фон на фотографиях, если вы занимаетесь портретной съемкой, то, скорее всего, вам понадобится камера с большой матрицей — формата APS-C или даже 24х36 мм.
При использовании камеры с большой матрицей фон на изображении будет легче размыть.
Кроме того, размер самой камеры и объективов к ней напрямую зависит от размера матрицы. Причем, если размеры корпуса устройства еще можно сделать более-менее компактными даже при использовании полнокадрового сенсора, то объектив уменьшить в размерах уже не удастся: законы оптики этого не позволят. Поэтому при покупке полнокадрового аппарата со сменными объективами будьте готовы к тому, что хороший объектив будет иметь солидные габариты и вес. Если вы хотите использовать полнокадровую камеру и при этом иметь компактный объектив, вам придется довольствоваться не самыми универсальными и не самыми светосильными объективами. А вот в камерах, использующих матрицы меньшего размера, вполне можно использовать объективы полегче, покомпактнее. Сравни себя.
Полнокадровая камера Nikon D750 с универсальным объективом в руках фотографа.
Камера семейства Nikon 1 имеет сенсор размером 1 дюйм.
Это сделало его очень компактным.
При этом он оснащен такими же компактными сменными объективами.
Типы камер. Их плюсы и минусы.
С сердцем цифровой камеры, матрицей, мы разобрались. Теперь давайте посмотрим, на какие виды делятся современные фотоаппараты.
Мобильная камера Камера в телефоне
Сегодня встроенную камеру можно встретить во многих устройствах. В смартфонах камеры (а иногда даже не одна, а две — основная и фронтальная) стали обязательным элементом. Наверное, каждый читатель имеет опыт фотографирования на телефон. В погоне за компактностью такие камеры оснащаются крошечными матрицами и простыми объективами. Все мы знаем, что снимки с телефона не претендуют на высокое качество, но такая съемка не требует особых навыков, а телефон всегда под рукой. Однако, если вы планируете более-менее серьезно заняться фотографией, стоит подумать о более продвинутом творческом инструменте, обеспечивающем более качественные снимки и ручную настройку параметров съемки.
Компактные камеры
Пожалуй, этот тип камеры тоже всем знаком. Компактный фотоаппарат есть практически в каждом доме. Главное их преимущество – небольшой размер, невысокая цена, простота использования и иногда большой зум. В камерах этого типа обычно ставят малые и средние матрицы с диагональю 1/2,3”, 1/1,7”, 1”. Это обеспечивает этим устройствам компактность и весьма доступную цену. Конечно, есть редкие компактные модели с большими матрицами, даже полнокадровые. Но это достаточно специфические и дорогие устройства. Компактные камеры имеют несменный объектив. Как правило, такие камеры оснащены универсальным объективом, позволяющим снимать как с широким углом обзора, так и делать снимки удаленных от нас предметов крупным планом. Опять же, благодаря использованию малогабаритных матриц получается сделать объектив малогабаритным.
Nikon Coolpix S30 — компактная камера
Большинство компактных камер ориентированы на съемку в автоматических режимах, чтобы фотографировать их было максимально просто.
По-английски они называются «Point-and-shoot», что на русский можно перевести как «наведи и снимай». Ведь для съемки на такой аппарат достаточно нажать всего одну кнопку, остальное сделает автоматика. Но не всегда эти аппараты рассчитаны на съемку с ручными настройками. Иногда не все параметры можно настроить вручную, а если можно, то приходится искать их где-то в меню устройства, что замедляет процесс. Помимо компактного класса есть так называемые «гиперзоны» («суперзум», «ультразвук»). Hypersum — это компактная камера, оснащенная объективом с очень большим коэффициентом увеличения. Он может снимать как с широким углом обзора, так и делать крупные планы очень удаленных объектов. Объективы с таким большим зумом имеют сравнительно большие размеры, из-за чего камера теряет свою компактность и сравнима по размерам, а часто и по цене, с камерами более продвинутых классов.
Nikon Coolpix P600 — гиперсумма. Его объектив имеет 60-кратный оптический зум: это фантастический показатель для любого другого класса камер.
Фокусное расстояние объектива в 35-мм эквиваленте составляет 24-1440 мм.
Кому подходят компактные камеры и гиперзоны? В первую очередь для тех, для кого фотография не хобби и не профессия. Для тех, кто просто снимает на память и не хочет загружать голову какими-то сложными настройками. Эти камеры идеально подходят для путешествий налегке. У них всегда есть автоматические режимы, что позволит справиться с ними даже новичку. Профессиональные фотографы иногда выбирают компакт в качестве второй, вспомогательной камеры.
Зеркальные камеры
Следующий тип камеры — SLR или DSLR. Как класс техники они имеют богатую историю. Первые зеркалки появились в первой половине прошлого века. Потом использовали пленку. Более полувека их конструкция доводилась до совершенства, и только в XXI веке на смену пленке пришла цифровая матрица. Зеркальные камеры названы так потому, что в их конструкции есть система из зеркала и специальной отражающей призмы (пентапризмы), которая позволяет видеть именно ту картинку, которую «видит» объектив.
Причем без всякой электроники.
Зеркало имеет подвижную конструкцию: при его опускании свет попадает в видоискатель. При съемке зеркало поднимается и свет попадает на матрицу. С зеркальными камерами используются сменные объективы . Вы можете выбрать для своего устройства любой объектив из широкого модельного ряда, ориентируясь на тип съемки, которым хотите заниматься. Таким образом, в любой ситуации можно получить идеальный инструмент для идеального качества изображения.
Не зря зеркальные камеры называют системными. Выбирая зеркалку конкретного производителя, мы выбираем система из фотоаппарата, объективов и аксессуаров (например, вспышек). Этим активно пользуются все профессиональные фотографы и продвинутые любители. В зеркальных камерах всегда используются большие матрицы. Формат APS-C или даже полнокадровый. И как было сказано выше, большая матрица – это одна из составляющих качественного изображения.
Nikon D5300 — типичная зеркальная камера.
Скорость — следующее преимущество зеркальных камер. Фотограф, перешедший с компакта на зеркалку, может быть просто шокирован скоростью ее работы. Быстрый автофокус и мгновенная реакция на все манипуляции фотографа — свойство любой зеркалки. Зеркальная камера очень оперативна в управлении. Производители уделяют большое внимание их дизайну, ведь это профессиональный инструмент. Девайс удобно держать в руках, а практически любую настройку можно отрегулировать одной-двумя кнопками, не залезая в меню. Еще одно преимущество, которое стоит отметить, — длительное время автономной работы. Батарея такой камеры заряжается относительно редко. Поскольку матрица в зеркалке (вместе с дисплеем аппарата является основным потребителем энергии) находится под нагрузкой не всегда, а только непосредственно во время съемки кадра, аккумулятор позволяет сделать на одном заряде около 500-1000 кадров, в зависимости от модели камеры.
Это практически недостижимый показатель для других типов камер. Длительное время автономной работы камеры – очень важная вещь в путешествиях, поездках, длительных прогулках. Из минусов зеркальных камер пожалуй стоит отметить их большой вес и размер. Однако, наоборот, многим фотографам нравится ходить с большой камерой и выглядеть как профессионал. Современные зеркальные фотокамеры очень дороги, предназначены для профессионального использования и очень доступны по цене. Сегодня почти каждый может позволить себе зеркальную камеру. Кому следует использовать зеркальную камеру? Всем, кто более-менее серьезно занимается фотографией и не боится относительно больших размеров фотоаппарата. Для тех, кто хочет научиться профессионально фотографировать, сделать фотографию своей профессией, зеркальная камера — лучший выбор.
Компактные камеры со сменными объективами или беззеркальные камеры
Это относительно недавно появившийся тип камер и наиболее активно развивающийся.
Производители резонно решили, что если оснастить обычную компактную камеру сменными объективами и качественной матрицей, то получится весьма интересная вещь. Беззеркальные камеры сочетают в себе большинство преимуществ зеркальных и компактных камер. Как уже было сказано, «беззеркалки» имеют сменные объективы и компактные размеры. При этом они позволяют делать кадры очень высокого качества. Ведь они оснащены матрицами сравнительно больших размеров. Беззеркальные зеркала, как правило, довольно быстрые. Однако из-за миниатюрных размеров их эргономика немного пострадала. Камера уже не так удобно и основательно лежит в руке, как зеркалка. Да и отсутствие оптического видоискателя многим фотографам не нравится. Из других минусов беззеркальных камер стоит отметить довольно короткое время автономной работы. Производители камер этого класса уделяют особое внимание стилю. В отличие от строгих черных зеркалок, ориентированных на продвинутых фотографов, среди беззеркалок очень много красивых, стильных, «имиджевых» моделей.
Беззеркальная камера Nikon 1 V3
Кому подойдет беззеркальная камера? Тем, кто хочет получать качественные фотографии, но не хочет таскать с собой громоздкую зеркальную камеру. Эту камеру удобно брать с собой в путешествия. Однако если вы планируете путешествовать без возможности зарядить камеру, лучше взять с собой комплект запасных аккумуляторов.
Камеры среднего формата и цифровые задники
Есть камеры, у которых матрица по размеру даже больше, чем у полнокадровых зеркалок. Например, его размер может быть 44 х 33 мм, 53,9х 40,4. Разрешение таких больших матриц тоже немаленькое: несколько десятков мегапикселей. Камеры этого типа называются камерами среднего формата. Это название осталось со времен пленочной фототехники. В пленочную эпоху в таких камерах использовалась широкая пленка, намного шире обычной. Такие камеры и тогда, и сейчас используются некоторыми профессиональными фотографами для получения фотографий очень высокого качества.
Отпечатки диагональю около метра не предел для этих камер. Некоторые из этих камер оснащены сменными модулями, в которых матрица и электронная начинка устанавливаются напрямую. Такие модули называются цифровыми задниками. Камеры среднего формата в основном используются при съемке в студии из-за больших габаритов и не очень высокой эффективности в работе. Еще один минус среднеформатных камер – цена, сравнимая с ценой новой иномарки. Кому следует использовать камеру среднего формата? В первую очередь профессиональным фотографам, которым необходимо печатать изображения очень больших форматов. Для любительской, репортажной и любой уличной фотосъемки такие камеры не совсем подходят. Однако стоит отметить, что некоторые современные полнокадровые зеркальные камеры уже «наступают на пятки» среднеформатным: например, Nikon D800, Nikon D800E, Nikon D810 вполне сопоставимы со среднеформатными камерами по картинке. качественный. И цена у них намного ниже.
СИСТЕМА КАМЕР И УСТРОЙСТВО ДИСПЛЕЯ
СИСТЕМА КАМЕРЫ И УСТРОЙСТВО ОТОБРАЖЕНИЯ Настоящее изобретение относится к системе камеры, как определено в преамбуле пункта 1 формулы изобретения.
Кроме того, изобретение относится к устройству отображения, как определено в пункте 17 формулы изобретения.
Фотография была изобретена в самом начале 19 века. Довольно скоро галогениды серебра (AgBr, AgCl) были выделены из спектра светочувствительных материалов, так как они оказались светочувствительными при диспергировании в желатине. Дисперсию наносили на стеклянную пластину, которая образовывала светочувствительную проекционную поверхность камеры. Стеклянная пластина представляла собой прямую пластину, и была разработана оптическая система, которая фокусировала изображение на пластине даже через отверстия размером больше булавочного укола.
За стеклянной пластиной последовала пленка, за пленкой — видикон, а за видиконом — цифровая матрица. Однако плоскость изображения по-прежнему остается плоскостью как в камерах для неподвижных изображений, так и в камерах для движущихся изображений. В азимутальной проекции освещенность проекционной поверхности пропорциональна квадрату угла отклонения, отсчитываемого от оптической оси: I = (L cos,)/4ffl + m) 2 , где I — интенсивность в плоскости изображения, L — яркость цели, ç — угол радиуса фокусировки к оптической оси, f — номер апертуры, m — коэффициент преобразования.
Особенно в случае широкоугольной оптики возникают проблемы с равномерностью освещения области изображения. Кроме того, широкоугольные изображения с угловым полем объектива, превышающим 100°, трудно получить без существенного искажения прямых линий.
В известном уровне техники обе вышеупомянутые ошибки были исправлены путем цифровой обработки изображений.
Целью изобретения является устранение упомянутых выше недостатков.
Конкретной целью изобретения является раскрытие системы камеры и соответствующего устройства отображения, позволяющих получать широкоугольное изображение, в котором освещение является равномерным по всей площади изображения и отсутствуют линии в области изображения. области изображения искажаются.
Что касается признаков, характерных для камеры и устройства отображения согласно изобретению, то делается ссылка на формулу изобретения.
Система камер согласно изобретению содержит камеру, снабженную оптической системой и светочувствительной поверхностью изображения, расположенной вблизи оптической системы симметрично относительно ее оптической оси, при этом изображение цели, преломленное оптикой, проецируется на указанная поверхность изображения.
Согласно изобретению светочувствительная поверхность изображения представляет собой вогнутую сферическую поверхность, центр кривизны которой находится в фокусе оптики. Камера согласно изобретению проецирует изображение на вогнутую, центрированную по фокусу сферическую поверхность, которая функционирует как детектор света и может состоять из светочувствительных детекторных элементов.
Система камеры по изобретению не проявляет никакой анизотропии или геометрических искажений, которые типичны для обычных фотографических технологий.
Изобретение позволяет реализовать различные фокусные расстояния до угла наблюдения 180°.
Изобретение имеет то преимущество, что при использовании нормального фокусного расстояния с угловым полем объектива 60° удается избежать косинусной ошибки. Поэтому изотропность изображения по освещенности значительно лучше, чем в камерах предшествующего уровня техники. Это важно в различных приложениях для анализа изображений, в которых плотность отражения и цвет используются в качестве основы для выводов об анализируемом объекте.
Преимущество изобретения при использовании коротких фокусных расстояний (до 180° угла записи) заключается в устранении геометрических искажений, типичных для современных оптических систем. Когда изображения должны быть напечатаны и/или отображены с использованием традиционных плоских поверхностей дисплея, подходящие прямоугольные неискаженные области могут быть отрезаны от изображения с помощью соответствующего программного обеспечения. Когда используется устройство отображения в соответствии с изобретением, в котором поверхность отображения представляет собой вогнутую сферическую поверхность, геометрические искажения не появляются.
При использовании больших фокусных расстояний устраняется визуальный эффект, сокращающий относительные расстояния.
В оптическом смысле проецирование изображения на сферическую поверхность является менее сложной задачей, чем обычная плоская проекция. Следовательно, стоимость изготовления оптического оборудования без аберраций для системы по изобретению ниже, чем в случае обычной оптики.
В одном из вариантов системы камеры светочувствительная поверхность изображения состоит из матрицы отдельных светочувствительных приемных элементов, таких как ПЗС-элементы.
В варианте осуществления системы камер количество обнаруживающих элементов составляет порядка 100000 или более.
В варианте осуществления системы камер количество детектирующих элементов было выбрано таким образом, чтобы для достижения приемлемого качества изображения их было порядка 104-3×104, для достижения хорошего качества изображения, порядка 106-2×106 или для достижения идеального качества изображения порядка 108. главной оси и уменьшается от главной оси к краевым зонам.
В одном из вариантов системы камеры распределение плотности детектирующих элементов на поверхности изображения согласуется с функцией: Io = плотность детектирующих элементов в начале координат (на главной оси), I (r) = локальная плотность детектирующих элементов на радиусе r от начала координат, а = коэффициент масштабирования.
В варианте осуществления системы камер детектирующие элементы в области высокого разрешения вблизи оптической оси расположены таким образом, что функция рассеяния точки (PSF), создаваемая оптикой, интегрируется по нескольким детектирующим элементам для предотвращения наложения спектров.
В варианте осуществления системы камеры оптика относится к типу, использующему так называемое нормальное фокусное расстояние, а поверхность изображения представляет собой сферическую калотту с углом записи (а) порядка 60°; камера содержит затвор, расположенный между оптикой и поверхностью изображения и снабженный регулируемой апертурой.
В варианте осуществления системы камеры угол записи поверхности изображения составляет 180° или меньше.
В варианте осуществления системы камеры оптика содержит линзу с коротким фокусным расстоянием, такую как так называемая линза типа «рыбий глаз»; поверхность изображения имеет полусферическую форму и угол записи 180°, так что камера полупространственного записывающего типа.
В варианте осуществления системы камеры камера представляет собой цифровую камеру, которая содержит средства для
оцифровки сигналов, полученных от детектирующих элементов, и средства для передачи оцифрованных изображений в компьютер. Изображение может быть обработано, передано и распечатано в цифровом виде. Изображения могут отображаться с использованием дисплея со сферической поверхностью, как упомянуто выше, или обычных устройств отображения. Их также можно распечатать в неискаженном виде на бумаге с помощью графических принтеров.
В одном из вариантов системы камеры камера относится к типу, предназначенному для записи движущихся изображений.
В одном из вариантов системы камеры камера относится к типу, предназначенному для записи неподвижных изображений.
В одном из вариантов системы камер камера представляет собой камеру наблюдения.
В одном из вариантов системы камер система включает две полупространственные записывающие камеры, направленные в противоположных направлениях для записи всего пространства.
В варианте осуществления системы камер система содержит две смежные камеры записи полупространства, направленные в одном направлении для записи стереоизображения полупространства.
В соответствии с изобретением поверхность дисплея устройства отображения, используемого для отображения изображения, записанного с использованием вышеупомянутой системы камер, представляет собой вогнутую сферическую поверхность.
Преимущество устройства отображения состоит в том, что освещение изображения является равномерным по всей площади изображения, а изображение геометрически неискажено, что не требует корректировки уровня яркости или контуров изображения.
В варианте осуществления устройства отображения устройство отображения представляет собой монитор, такой как компьютерный монитор или телевизор, имеющий экран в форме вогнутой сферической чалотты.
В одном из вариантов устройства отображения поверхность отображения представляет собой поверхность стены или потолка комнаты, на которую может быть спроецировано изображение, чтобы его могли просматривать одновременно несколько человек.
В варианте осуществления устройства отображения устройство отображения представляет собой щиток персонального дисплея и т.п., в котором поверхность отображения представляет собой полусферическую поверхность отображения, центр которой находится в фокусе глаза.
В варианте осуществления устройства отображения козырек дисплея или тому подобное содержит две полусферические поверхности отображения, центры которых находятся в фокусных точках глаз, по одной поверхности отображения для каждого глаза для просмотра стереоизображений.
В одном из вариантов устройства отображения поверхность отображения состоит из матрицы отдельных элементов изображения.
В варианте осуществления устройства отображения количество элементов изображения составляет порядка 100000 или более.
В варианте осуществления устройства отображения количество элементов изображения было выбрано таким образом, чтобы для достижения приемлемого качества изображения число было порядка 104-3×104, для достижения хорошего качества изображения, порядка 106-2×106 или для достижения идеального качества изображения порядка 108.
на оптической оси и уменьшается от оптической оси к краевым зонам.
В варианте осуществления устройства отображения элементы изображения полусферической поверхности отображения имеют большую площадь поверхности в краевых зонах, чем вблизи главной оси.
В варианте осуществления устройства отображения распределение плотности элементов изображения на поверхности дисплея согласуется с функцией:
где Io = плотность элементов изображения в начале координат (на главной оси), I (r) = локальная плотность элементов изображения на радиусе r от начала координат, а = коэффициент масштабирования.
В одном из вариантов устройства отображения элементы изображения реализованы с использованием оптоволокна.
Камеры и устройства отображения, сконструированные в соответствии с изобретением, очень хорошо подходят для использования в робототехнике с визуальными возможностями. Поскольку искажения линии отсутствуют, соответствующий расчет поправок не требуется. Поскольку нет структурных различий в освещении между оптической осью и периферийными областями изображения, расчет интерпретации дает более точные результаты, чем при использовании традиционной камеры.
Камеры и устройства отображения, сконструированные согласно изобретению, также очень хорошо применимы для использования в тренажерах, в которых стимулы создаются искусственно для всего поля зрения (например, авиасимулятор). Точно так же можно производить развлекательный и компьютерно-игровой материал, дающий человеку ощущение виртуального присутствия в ситуации, сфотографированной камерой и воспроизведенной сферическим дисплеем. Используя пару соседних камер, можно создать трехмерное восприятие, заполняющее все поле зрения.
Далее изобретение будет подробно описано с помощью нескольких примеров его вариантов осуществления со ссылкой на чертежи, на которых
На фиг. 1 представлена схема первого варианта осуществления системы камер изобретения, на рис. 2 представлена схема второго варианта системы камер по изобретению, на рис. 3 представлена схема, иллюстрирующая предотвращение алиасинга с помощью оптики в точках, где плотность элементов изображения максимум, на рис.
4 представлена схема, иллюстрирующая применение камеры наблюдения системы камер изобретения для наблюдения за полупространством в помещении, на рис. 5 представлена схема, иллюстрирующая применение камеры наблюдения системы камер изобретения для мониторинг всего пространства на открытой площадке, на фиг. 6 представлена схема первого варианта устройства отображения изобретения, т.е. е. сферический монитор или телевизор калоточного типа и оптимальная линия просмотра для него, на фиг. 7 представлена схема второго варианта устройства отображения изобретения, позволяющего отображать изображения множеству зрителей, на фиг. 8 представлен третий вариант осуществления устройства отображения изобретения, которое представляет собой персональное устройство отображения для отображения стереоизображений, фиг. 9представляет схему, представляющую четвертый вариант осуществления устройства отображения в соответствии с изобретением, которое представляет собой персональное устройство отображения для отображения моноизображений.
На рис. 1 показана камера 1, содержащая оптику 2 с так называемым нормальным фокусным расстоянием, представленную на рисунке в виде простого объектива. Камера 1 дополнительно содержит светочувствительную поверхность 3 изображения, которая представляет собой вогнутую сферическую поверхность, на которую оптика 2 проецирует изображение цели. Центр кривизны поверхности изображения 3 находится в фокусе
точка оптики 2 на оптической оси L. С объективом 2 с нормальным фокусным расстоянием получается угол записи 60°, поэтому камера может иметь поверхность изображения в форме сферического калотта. Камера дополнительно содержит затвор 4 с регулируемой апертурой, расположенный рядом с объективом 2, между объективом 2 и поверхностью изображения 3.
Оптика 2 в камере 1 на фиг. 2 содержит объектив 5 с коротким фокусным расстоянием, так называемый объектив «рыбий глаз». Поверхность изображения 3 имеет полусферическую форму, поэтому камера представляет собой полупространственную записывающую камеру.
На рисунке представлена проекция трех мишеней I, I, III на полусферическую поверхность изображения. Угол записи 180°.
Изображение цели I на главной оси L записывается на поверхность изображения 3 на главной оси L.
Мишени II и III, расположенные с противоположных сторон под углом 90°, проецируются на края полусферической поверхности изображения.
Камеры на рис. 1 и 2 предпочтительно являются цифровыми камерами, способными снимать как неподвижные, так и движущиеся изображения. Поверхность изображения 3 камеры 1 состоит из отдельно расположенных цифровых детектирующих элементов или может быть построена с использованием волоконной оптики. Приемлемое качество изображения достигается при использовании примерно 100 000-300 000 детектирующих элементов на поверхности изображения 3. Хорошее качество изображения достигается при использовании примерно 1-2 миллионов детектирующих элементов. Если требуется идеальное качество изображения, то количество детектирующих элементов должно быть порядка 108.
В камерах с углом записи 180° поверхности изображения 3, как показано на рис. 2, которые могут видеть все полупространство, с соответствующими устройствами отображения положение оптической оси L соответствует точке остроты зрения в человеческом глазу, а краевые зоны соответствуют менее острому периферическому зрению. Следовательно, плотность обнаружения
элементов на поверхности изображения 3 может варьироваться так, чтобы плотность была максимальной в области оптической оси, т.е. е. разрешение высокое, уменьшающееся к краевым зонам, где разрешение ниже.
Например, гауссово распределение плотности детектирующих элементов примерно соответствует частоте использования информации при просмотре изображения. Возможны и другие дистрибутивы. Различная плотность детектирующих элементов подходит для использования, например. грамм. в приложении дистанционного управления, в котором камера в соответствии с изобретением, установленная на роботе, фотографирует реальную цель, в то время как человек, управляющий роботом, наблюдает за изображением, создаваемым камерой, с использованием устройства отображения в соответствии с изобретением.
Распределение плотности детектирующих элементов на поверхности 3 изображения может быть, например, равномерным. грамм. определяется следующей функцией: где Io = плотность детектирующих элементов в начале координат (на главной оси), I (r) = локальная плотность детектирующих элементов на радиусе r от начала координат, а a = коэффициент масштабирования.
Если частота съемки камеры выше половины частоты сенсора, это приведет к так называемому эффекту алиасинга, вследствие чего при увеличении частоты ЧКХ, упав до нуля, получает высокие положительные значения на более высоких частотах. Особенно при фотографировании структурированных объектов это приводит к существенному ухудшению качества изображения. Наложения спектров можно избежать в участках с высоким разрешением камеры с переменным разрешением, используя компоновку, как показано на рис. 3. Функция рассеяния точек PSF 9Оптика 0003
адаптирована таким образом, что может интегрироваться с несколькими соседними детекторными элементами.
На рис. 4 и 5 показано использование полупространственной записывающей камеры, представленной на рис. 2, в качестве широкоугольной камеры наблюдения. В отличие от ранее известных камер, которые необходимо перемещать для сканирования окружающего пространства, подобная камера может быть закреплена неподвижно на стене или потолке комнаты, как показано на рис. 4. При использовании e. грамм. как камера наблюдения в банке, такая неподвижная камера незаметна и ее трудно обнаружить. Используя пару камер, смотрящих в противоположных направлениях, как на рис. 5, можно контролировать все открытое пространство вокруг (2 x полупространство).
С помощью одной камеры получается геометрически неискаженное изображение полупространства одним кадром без перемещения камеры. Используя две полупространственные записывающие камеры, направленные в одном направлении, можно создавать стереоизображения для создания трехмерного впечатления.
Снимки, сделанные камерой по изобретению, можно просматривать как обычные плоские копии с использованием плоскостного дисплея или с помощью плоскостной распечатки.
Также можно сконструировать специальные устройства отображения 6, как показано на фиг. 6-9.для просмотра изображений, снятых камерой 1. В устройстве 6 отображения, подобном этому, поверхность 7 отображения, на которой просматриваются изображения, представляет собой вогнутую сферическую поверхность.
На фиг.6 представлен вариант осуществления, в котором устройство 6 отображения представляет собой монитор, такой как компьютерный монитор или телевизор, экран дисплея которого представляет собой поверхность 7 отображения, имеющую форму вогнутой сферической чалотты. Для этого устройства предпочтительное расстояние просмотра равно удвоенному радиусу r сферического калотта.
Оптимальная линия просмотра обозначена пунктирной линией 8.
Ссылаясь на фиг. 7, в приложении для множества зрителей поверхность отображения 7 может также
состоять из полусферической поверхности стены или потолка в комнате (омни-театр), на который изображение может проецироваться для одновременного просмотра несколькими людьми.
На фиг. 8 и 9 показано устройство 6 отображения, которое представляет собой персональный дисплейный щиток, дисплейный шлем и т.п., в котором поверхность 7 отображения представляет собой полусферическую поверхность отображения, центр которой находится в фокусе глаза. Это устройство можно использовать e. грамм. для представления виртуальной реальности в развлекательных и игровых приложениях, а также в качестве дисплея шлема e. грамм. для пилотов.
На фиг.8 козырек дисплея или тому подобное содержит две полусферические поверхности дисплея 7, центры которых находятся в фокусных точках глаз, по одной поверхности дисплея для каждого глаза, для просмотра стереоизображений, создавая трехмерное впечатление.
На фиг. 9 экран дисплея снабжен монодисплеем с одной полусферической поверхностью 7 отображения.
Поверхность 7 отображения в устройствах отображения может состоять из матрицы отдельных элементов изображения. Количество элементов изображения было выбрано таким образом, чтобы для получения приемлемого качества изображения было порядка 104-3×104, для получения хорошего качества изображения порядка 106-2×106 или для получения отличное качество изображения, порядка 108,
Если в качестве устройства ввода используется камера с переменным разрешением, устройство отображения может быть сконструировано как дисплей с переменным разрешением.
В 180-градусном отображении периферийные области реализуются с использованием меньшего количества элементов изображения, но большего размера, но так, чтобы они соответствовали области с высоким разрешением в отношении энергии изображения (= площадь элемента изображения x максимальная яркость).
В устройстве 6 отображения с переменным разрешением элементы изображения могут быть расположены на дисплее таким образом
поверхности 7 видно, что их плотность максимальна на главной оси L, уменьшаясь от главной оси к краевым зонам. Распределение плотности элементов изображения на поверхности дисплея выражается функцией: где Io = плотность элементов изображения в начале координат (на главной оси), I (r) = локальная плотность элементов изображения на радиусе r от происхождение, а = коэффициент масштабирования.
Изобретение не ограничено примерами его вариантов осуществления, описанными выше; вместо этого возможны многие варианты в пределах объема изобретательской идеи, определенной в формуле изобретения.